Cuối thế kỉ 19 đầu thế kỷ 20, Tsiolkovsky bắt tay vào nghiên cứu lý thuyết về thiết bị bay nặng hơn không khí, một cách độc lập ông cũng đã thực hiện những tính toán tương tự anh em nhà Wright trong cùng thời gian. Tuy nhiên, ông không bao giờ xây dựng được một mô hình thực nghiệm, và nó vẫn mãi chỉ là một kế hoạch đầy tham vọng, bởi tư tưởng của ông chỉ gói gọn trong phạm vi đế chế Nga và không được thế giới biết đến. Lĩnh vực này đã được tái khám phá bởi những người Đức và một số nhà khoa học khác một cách chậm chạp khi họ tiến hành những phép tính tương tự trên tọa độ decades sau đó.

Năm 1923, nhà khoa học Đức Hermann Oberth xuất bản cuốn sách "By Rocket into Planetary Space", đây là một sự kiện khơi mào cho những công trình tiếp sau nghiên cứu về du hành vũ trụ. Nó cũng nhắc Zander về một lần đã đọc một bài viết trong cùng chủ đề. Sau khi liên lạc với tác giả ông ta trở thành người xúc tiến cho việc truyền bá những công trình của Tsiolkovsky. Năm 1924 Zander thành lập hội thiên văn học đầu tiên ở Liên Xô, học viện du hành liên hành tinh, và sau đó nghiên cứu và chế tạo tên lửa nhiên liệu lỏng mang tên OR-1 (1930) và OR-2 (1933).

Công trình quan trọng nhất của Tsiolkovsky, xuất bản năm 1903, là "Khám phá khoảng không vũ trụ bằng động cơ phản lực" (tiếng Nga: Исследование мировых пространств реактивными приборами), được xem như là luận án đầu tiên về tên lửa. Tsiolkovsky tính toán rằng giới hạn nhỏ nhất cần đạt cho một quỹ đạo nhỏ quanh Trái Đất là 8000 m/s và nó thì có thể đạt được bằng phương tiện tên lửa nhiều tầng với nhiên liệu là hidro và oxi lỏng.

Trong suốt cuộc đời ông đã cho xuất bản trên 500 công trình về du hành vũ trụ và những vấn đề có liên quan, bao gồm cả tiểu thuyết viễn tưởng. Hầu hết công trình của ông là những thiết kế tên lửa, hệ thống nhiều tầng, trạm vũ trụ, nút không khí cho sự tồn tại của tàu vũ trụ trong môi trường chân không, và những chu trình sinh học khép kín nhằm cung cấp thức ăn và oxi cho những thuộc địa trong không gian.

Tsiolkovsky đã phát triển ý tưởng về đệm không khí từ năm 1921, xuất bản bài viết cơ bản về nó vào năm 1927, tiêu đề "Đệm không khí và con tàu hỏa tốc" (tiếng Nga: Сопротивление воздуха и скорый поезд). Năm 1929 Tsiolkovsky đề xuất xây dựng tên lửa nhiều tầng trong cuốn sách của ông mang tên "Di chuyển trong không gian với tên lửa" (tiếng Nga: Космические ракетные поезда).

Công trình của Tsiolkovsky ảnh hưởng đến các nhà chế tạo tên lửa khắp từ châu Âu, như Wernher von Braun, và cũng được các nhà sáng chế Mĩ trong những năm 1950 đến 1960 trong lúc họ cố gắng để hiểu những thành công của nhà bác học Xô viết trong những chuyến bay vào không gian.